光伏产业链分析2——太阳能电池组件、逆变器、支架

互推小编 2023-10-04

续前文。

五、太阳能电池组件

通常情况下，太阳能电池组件从上至下由光伏玻璃、封装胶膜、电池片、封装胶膜、背板等五层结构构成，结构图如下所示：

（一）光伏玻璃

由于单体太阳能光伏电池机械强度差，容易破裂；空气中的水分和腐蚀性气体会逐渐氧化和锈蚀电极，无法承受露天工作的严酷条件；同时单体光伏电池的工作电压通常较小，难以满足一般用电设备的需要。因此太阳能电池片通常被EVA 胶片密封在一片封装面板和一片背板的中间，组成具有封装及内部连接的、能单独提供直流电输出的、不可分割的光伏组件。若干个光伏组件、逆变器、其他电器配件组成光伏发电系统。

覆盖在光伏组件上的光伏玻璃经过镀膜后，可以确保有更高的光线透过率，使太阳能电池片可以产生更多的电能；同时，经过钢化处理的光伏玻璃具有更高的强度，可以使太阳能电池片承受更大的风压及较大的昼夜温差变化。因此光伏玻璃是光伏组件不可缺少的配件之一。

光伏电池主要分为晶硅电池和薄膜电池两类，应用于晶硅电池的光伏玻璃主要采用压延法，应用于薄膜电池的光伏玻璃主要采用浮法。

（二）封装胶膜（EVA）

太阳能电池封装胶膜处于太阳能电池组件的中间位置，包裹住电池片并与玻璃及背板相互粘结。太阳能电池封装胶膜的主要作用包括：为太阳能电池线路装备提供结构支撑、为电池片与太阳能辐射提供最大光耦合、物理隔离电池片及线路、传导电池片产生的热量等。因此，封装胶膜产品需要具有高水汽阻隔率、高可见光透过率、高体积电阻率、耐候性能和抗PID性能等特性。

目前，EVA胶膜是使用最为广泛的太阳能电池封装胶膜材料，截至2018年其市场占有率约为90%，其拥有超过20年的应用历史，产品性能均衡、性价比较高。POE胶膜是另一种使用广泛的光伏封装胶膜材料，截至2018年其市场占有率约为9%5，该产品是一种乙烯-辛烯共聚物，可用于太阳能单玻、双玻组件的封装，在双玻组件中应用尤为广泛。POE胶膜具有高水汽阻隔性率、高可见光透过率、高体积电阻率、优秀的耐候性能和长久的抗PID性能等优良特性，另外该产品独特的高反射性能，能够提高组件对太阳光的有效利用率，有助于增加组件的功率，并能够解决组件层压后的白色胶膜溢胶问题。

（三）电池片

硅太阳能电池是一种典型的二端器件，两个端子分别在硅片的受光面和背光面。

光伏发电的原理：当光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属原子内部的库仑力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。硅原子有4个外层电子，如果在纯硅中掺入有5个外层电子的原子如磷原子，就成为N型半导体；若在纯硅中掺入有3个外层电子的原子如硼原子，形成P型半导体。当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到P－N结后，电流便从P型一边流向N型一边，形成电流。

根据所用材料不同，太阳能电池可分为三类：第一类为晶体硅太阳能电池，包括单晶硅和多晶硅，其研发及市场应用较为深入，光电转化效率高，占据了目前电池片主要市场份额；第二类为薄膜太阳能电池，包括硅基薄膜、化合物类以及有机类，但由于原材料稀缺或含毒性、转换效率低、稳定性差等缺点，市场应用较少；第三类为新型太阳能电池，包括叠层太阳能电池等，目前处于研发阶段，技术尚不成熟。

太阳能电池片的主要原料为多晶硅（其可生产出单晶硅棒、多晶硅锭等），其生产工艺流程主要包括：清洗与制绒、扩散、边缘蚀刻、去磷硅玻璃、PECVD、丝网印刷、烧结、测试等。

工序	说明
清洗与制绒	目的：去除硅片表面的机械损伤层及表面油污，形成起伏不平的绒面，增加硅片对太阳光的吸收。原理：①单晶硅片：利用碱溶液对单晶硅各个晶面腐蚀速率的不同，在硅片表面形成类似金字塔状的绒面 ②多晶硅片：利用硝酸的强氧化性和氢氟酸的络合性，对硅片进行氧化和络合剥离，导致硅表面发生各向同性非均匀性腐蚀，从而形成类似凹陷坑状的绒面
扩散	目的：在P型硅的表面上渗透一层很薄的一层磷，表面变成N型，使之成为PN结。原理：通过气体携带POCL3溶液进入扩散炉管，使之反应生成磷沉淀在表层。磷在高温下渗透入硅片内部形成N区。
边缘蚀刻	目的：将晶片的背面及四边做边缘绝缘处理，用以去除背面及四边的PN结，防止正负极出现短路。原理：采用高频辉光放电反应，是反应气体激活成活性粒子，并扩散到硅片边缘，在那里与硅片进行反应，生成挥发性四氟化硅而被去除。
去除磷硅玻璃	目的：扩散过程中，POCl3分解产生的P2O5沉积在硅片表面，P2O5与Si生成二氧化硅与磷原子，这层含有磷原子的二氧化硅层称为磷硅玻璃，玻璃层的存在会在电极印刷过程中，影响到金属电极和硅片的接触，降低电池的转换效率，同时玻璃层还有多层金属离子杂质，会降低少子寿命，因此引入清洗工艺。原理：化学反应。
PECVD	目的：减少了光的反射损失，增强了吸收光的强度，提高电池效率。原理：利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电（或另加发热体）使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。
丝网印刷	目的：在太阳能电池的两面制金属电极，正面收集电子，背面电极利于焊接以及组件的制成。原理：利用网版图文部分网孔透墨，非图文部分网孔不透墨的基本原理进行印刷。
烧结	目的：干燥硅片上的浆料，燃尽浆料的有机组分，使浆料和硅片形成良好的欧姆接触。原理：烘干、烧结及冷却等

这里延伸介绍下光伏电池面板单晶与多晶的区别与联系

单晶、多晶是晶硅太阳能的两种技术路线。若把单晶比作一块完整的石头，那多晶就是由碎石子拼砌而成的石头。由于不同的物理性质，单晶的光电转换效率高于多晶，但多晶成本相对较低。

单晶硅太阳能电池的光电转换效率为18%左右，最高的达到24%，这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命可达25年。

多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约16%左右。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低。

两者具体的区别如下：

项目	区别
构成不同	单晶：结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。多晶：是众多取向晶粒的单晶的集合。
特点不同	单晶：一定外形、长程有序。如铜的单晶，硅的单晶等。很多取向不同而机遇的单晶颗粒可以拼凑成多晶体。单晶是各向异性的。多晶：各向同性的，在摄取多晶衍射图或进行衍射计数时，多晶样亦有其特色。
性质不同	单晶：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的；晶体中不同的方向上具有不同的物理性质；晶体具有周期性结构，熔化时，各部分需要同样的温度；理想环境中生长的晶体应为凸多边形。多晶：多晶体中当晶粒粒度较小时，晶粒难于直观呈现晶面、晶棱等形象，样品清晰度差，呈散射光。

单晶和多晶的联系：多晶的本质是一种有瑕疵的单晶。

随着无补贴竞价上网的兴起以及可安装土地资源的日渐稀缺，全球市场对于高效产品需求越发增加。投资者的关注度也从之前的抢装到回归本源，即项目本身的发电性能和长期可靠性，这是未来电站收益的关键所在。现阶段来看，多晶技术在成本上仍保有优势，但其效率相对较低。

多晶技术增长乏力出于多方面的原因：一方面研发成本居高不下，这造成了新工艺制造成本也处于高位水平。另一方面，设备的价格异常昂贵。但即便高效单晶的发电效率和性能上是多晶和普通单晶不可及的，一些价格敏感客户在选择时仍会出现“举棋不下”的情况。

目前看来，高效单晶技术实则在性能和成本两方面做到了良好的平衡。单晶的销量已占据市场主导地位。

（四）背板

太阳能背板是一种位于太阳能电池组件背面的光伏封装材料，在户外环境下主要用于保护太阳能电池组件，抵抗光湿热等环境因素对封装胶膜、电池片等材料的侵蚀，起到耐候绝缘保护作用。由于背板位于光伏组件背面的最外层，直接与外部环境相接触，因而其须具备优异的耐高低温、耐紫外辐照、耐环境老化和水汽阻隔、电气绝缘等性能，以满足太阳能电池组件25年的使用寿命。随着光伏产业对发电效率要求的不断提升，部分高性能太阳能背板产品还具有较高的光反射率，以提高太阳能组件的光电转化效率。

按材料分类，背板主要分为有机高分子类和无机物类，太阳能背板通常指有机高分子类，无机物类主要为玻璃。按生产工艺分，主要有复合型、涂覆型和共挤型。目前，复合型背板占据背板市场78％以上的份额，由于双玻组件市场应用增多，采用玻璃背板的市场占有率超过12％，涂覆型背板及其它结构背板约为10％。

太阳能背板的原材料主要有PET基膜、氟材料和胶粘剂。其中PET基膜主要提供绝缘性能和力学性能，但耐候性比较差；氟材料主要分为氟膜和含氟树脂两种形式，提供绝缘性、耐候性和阻隔性；胶粘剂主要由合成树脂、固化剂和功能性添加剂等化学品组成，在复合型背板中用于粘结PET基膜与氟膜。目前，高品质太阳能电池组件的背板基本都使用含氟材料来保护PET基膜，不同的只是使用的氟材料的形态和成分有所不同。氟材料以氟膜的形式通过胶粘剂复合在PET基膜上，即为复合型背板；以含氟树脂的形式通过特殊工艺直接涂覆在PET基膜上，即为涂覆型背板。

一般来说，复合型背板因其氟膜的完整性，综合性能优越；涂覆型背板因其材料成本较低，具有价格优势。

复合型背板主要类型

复合型太阳能背板按含氟情况可分为双面氟膜背板、单面氟膜背板、不含氟背板，因其各自耐候性等特性适用于不同环境，总体来说对环境的耐候程度依次为双面氟膜背板、单面氟膜背板、不含氟背板，其价格一般也依次降低。目前市场上主流的背板类型及其产品概况如下：

分类标准	产品类型	产品概述
双面氟膜复合背板	TPT背板（PVF/PET/PVF）	市面上双面含氟背板中最常见的类型，采用复合工艺，将PVF氟膜与中间层PET基膜通过胶粘剂复合在一起。内层氟材料保护PET免受紫外线腐蚀，同时经过特殊处理与封装胶膜更好的粘结，外层氟材料保护组件背面免受湿、热、紫外线侵蚀。
	KPK型背板（PVDF/PET/PVDF）	相比TPT，区别在于内外层氟膜采用PVDF薄膜代替了PVF薄膜，其突出特点是机械强度高，耐辐照性好，具有良好的化学稳定性，在室温下不被酸、碱、强氧化剂和卤素所腐蚀。
	KPF型背板（PVDF/PET/氟皮膜）	一面采用复合工艺将PVDF氟膜通过胶粘剂复合于PET基膜，另一面采用流延制膜工艺将混入二氧化钛的含氟树脂紧密均匀涂覆于PET基膜的涂层，该涂层经高温熟化后形成与PET基膜有自粘性的含氟薄膜，区别于易脱落的氟涂料涂层。该氟皮膜达到国外氟膜产品耐紫外、阻水等高性能要求的同时，价格显著降低。
单面氟膜复合背板	TPE型背板（PVF/PET/PE）	主要是以PE（聚烯烃类薄膜）替代内层氟膜，由于单面含氟，其保护性能不如TPT结构，难以经受长期抗紫外老化考验，但成本比TPT结构低。
单面氟膜复合背板	KPE型背板（PVDF/PET/PE）	主要是以PE（聚烯烃类薄膜）替代内层氟膜，由于单面含氟，其保护性能不如KPK型背板，难以经受长期抗紫外老化考验，但成本比FPF结构低。
无氟	PPE型背板	通常外层PET需要进行抗紫外耐候的强化处理，通过胶粘剂粘合而成。不含氟背板从材料本身特性上，抗湿热、干热、紫外等性能相对较差，主要应用于耐候性要求相对较低的光伏组件上。

注：（1）PVF（一氟化树脂）膜由PVF共聚体挤压而成，这一形成过程保证了PVF装饰层致密无暇，无PVDF（二氟化树脂）涂料喷涂或滚涂过程中经常发生的针孔，发裂等缺陷，因此PVF膜的饰层隔绝性优于PVDF涂料。PVF覆膜膜材可以用在腐蚀环境更为恶劣的地方；

（2）PVF膜制造过程中分子晶格沿纵、横方向的挤压排列大大强化了它的物理强度，所以PVF膜具有更大的韧性；

（3）PVF膜具更强的耐磨能力，寿命更长；

（4）挤压成型的PVF膜表面光滑细腻，全无滚涂或喷涂时表面产生的条纹、橘皮、微皱之类缺陷。

适用场景

双面氟膜复合背板由于其优越的耐候性能，能经受住严寒、高温、风沙、雨水等恶劣环境，通常被广泛应用于高原、沙漠、戈壁等区域；单面氟膜复合背板是双面氟膜复合背板的降本型产品，相对于双面氟膜复合背板其内层的耐紫外性和散热性较差，主要适用于屋顶和紫外线温和的区域。

六、光伏逆变器

在太阳能光伏发电过程中，光伏阵列所发的电能为直流电能，然而许多负载需要交流电能。直流供电系统存在很大的局限性，不便于变换电压，负载应用范围也有限，除特殊用电负荷外，均需要使用逆变器将直流电变换为交流电。光伏逆变器是太阳能光伏发电系统的心脏，其将光伏发电系统产生的直流电通过电力电子变换技术转换为生活所需的交流电，是光伏电站最重要的核心部件之一。

光伏逆变器主要由输入滤波电路、DC/DC MPPT电路、DC/AC逆变电路、输出滤波电路、核心控制单元电路组成。光伏逆变器的种类有：

划分标准	种类
根据输出交流电压的相数	单相逆变器和三相逆变器
应用在并网发电系统还是离网发电系统	并网逆变器和离网逆变器
应用的光伏发电类型	集中式光伏发电逆变器和分布式光伏发电逆变器
能量是否存储	并网逆变器和储能逆变器
技术路线	集中式逆变器、组串式逆变器、集散式逆变器和微型逆变器

目前市场主要以集中式逆变器和组串式逆变器为主。随着分布式光伏市场的快速增长及集中式光伏电站中组串式逆变器占比的不断提高，组串式逆变器占光伏电站装机规模市场份额约为60%。集中式逆变器是将汇总后的直流电转变为交流电，功率相对较大；组串式逆变器是将组件产生的直流电直接转变为交流电再进行汇总，功率相对较小。集中式逆变器与组串式逆变器的对比说明如下：

逆变器类型	优势	劣势	适用领域	发展趋势
组串式逆变器	体积小，重量轻，便于运输与安装；夜间自损耗小；单机容量小，故障时发电量损失小；光伏组件发电多	转换功率低；功率密度大，元器件工作温度高，故障率相对较高，成本相对较高	户用和工商业屋顶、农业大棚光伏、水面光伏等分布式电站，以及丘陵、大型地面等集中式电站	单机功率往大型化发展，有效拉低单瓦成本，地面电站应用逐渐增加；转换效率不断提升，并朝着智能化、安全性等技术领域发展
集中式逆变器	转换效率高；元器件数量少，成本低、可靠性高	单机体积大，重量重，运输与安装难度大；需单独建设安装基建；单机容量大，故障时发电损失大	大型地面、矿坑等集中式电站	不断提升单机容量，降低电站投资和度电成本

在智能电站概念提出后，光伏逆变器的重要性越来越突出，光伏逆变器的设计和制造需要从整个系统角度考虑，除了转换效率，还要兼顾综合防护、稳定运行、安全可靠和电网友好性；随着光伏电站管理越来越精细化，光伏逆变器承载着数据采集、电站监控、能源管理等任务，通过GPRS、以太网、Wi-Fi等方式上传到网络服务器或本地电脑，使用户可以在互联网、手机或本地电脑上查看相关数据，方便电站管理人员和用户对光伏电站的运行数据查看和管理，可以大量节约人力、物力成本。

（一）光伏并网逆变器

光伏并网逆变器除将直流电转换成交流电外，其输出的交流电可以与市电的频率及相位同步，因此输出的交流电可以回到市电。光伏并网逆变器应用示意图如下：

（二）光伏储能逆变器

光伏储能逆变器集成光伏并网发电、储能电站的功能，可以克服光伏组件受天气变化发电不稳定的缺点，提高电网品质；通过波谷储存电能，波峰输出电能，电网峰值发电量可大幅削减，电网容量也可大幅增加，可提高电网利用率。光伏储能逆变器可应用于集中式和分布式光伏发电站。

光伏储能逆变器具体工作原理为：光伏所发的电能优先供本地负载使用，多余的能量存储到蓄电池，在电能仍有富余的情况下可选择性并入电网。当光伏所发电能不足时，蓄电池放电提供电能供本地负载使用，从而降低对电网和传统能源的依赖。

近年来可再生能源快速发展，且潜力巨大，但由于不稳定性制约了可再生能源的快速发展，产生了大量的弃光、弃电现象，储能产品系实现可再生能源平滑波动、促进可再生能源大规模消纳和接入的重要手段。储能亦是能源互联网新型能源利用模式的关键技术之一。储能逆变器是电网与储能装置之间的接口，能够应用在不同的场合（并网系统、孤岛系统和混合系统）。储能逆变器是一类适合智能电网建设，应用在储能环节，以双向逆变为基本特点，具有一系列特殊性能、功能的逆变器。储能系智能电网实现的必备条件，智能电网中的储能环节能有效调控电力资源，能很好地平衡昼夜及不同季节的用电差异，调剂余缺，保障电网安全，是可再生能源应用的重要前提和实现电网互动化管理的有效手段。储能逆变器适用于各种需要动态储能的应用场合，在电能富余时将电能存储，电能不足时将存储的电能逆变后向电网输出，在微电网中起到应急独立逆变作用。

七、光伏支架

光伏支架是太阳能光伏发电系统中为了支撑、固定、转动光伏组件而设计安装的特殊设备。为了使光伏电站达到最佳的发电效率，光伏支架需结合建设地点的地形地貌、气候及太阳能资源条件，将光伏组件以一定的朝向、排列方式及间距予以固定。光伏支架作为电站的“骨骼”，其性能直接影响光伏电站的发电效率及投资收益。

随着光伏补贴逐步退坡，电池组件光电转换效率提升难度日渐增加，平坦低成本的场地有所减少，光伏支架在光伏电站投资中的地位越来越高，将其作为降本增效、提高电站投资效益的重要措施。近年来，光伏支架在技术、市场等方面得到了快速发展。光伏支架产品一方面更加轻量高强度化，在结构、材料等方面创新，提高产品性能，降低材料重量，降低制造成本与运输费用；另一方面，集成与智能化程度日益提升，通过不断集成设计，便捷现场施工及后期运维，同时融合人工智能、物联网、大数据等新一代信息技术，发电效率得到进一步提升。

（一）光伏支架按照能否跟踪太阳转动区分为固定支架和跟踪支架

两者的设计要求、发电效率及在光伏发电系统的应用说明如下：

1、设计要求方面

需要根据项目的地质勘查报告完成支架基础初步设计；其次根据支架受力情况完成立柱的拉拔力测试，确定支架基础形式及立柱形式；同时根据不同国家标准、不同项目地点风载荷、雪载荷及其它气候条件确认整体支架设计；最后，根据光伏系统中组件形式、组件串联数量、逆变器及汇流箱等其他光伏零部件情况完成对应的支架排布及单体支架设计。

2、发电效率方面

采用固定支架的光伏电站，在设计之初会结合当地的地理环境、气候等条件将组件固定在特定角度以保证能接收最大的太阳光辐射，组件位置一般固定后不会再频繁调整，对于固定可调式支架而言，组件朝向每年会根据季节和光照情况进行人工调整。固定支架价格较低、稳定性好，前期投资成本低，但对太阳能的利用率相比跟踪支架低。

采用跟踪支架的光伏系统，其组件朝向根据光照情况进行自动调整，可减少组件与太阳直射光之间的夹角，获取更多的太阳辐照，可有效提高发电效率。采用跟踪支架的电站需要增加一定的前期投资成本，并需要承担一定的装置运行风险及后期运维成本。

（二）在光伏发电系统中的应用

固定支架与跟踪支架在光伏电站系统中的选用，需要综合考虑各项因素，进行详细的投入产出边际效益测算。

概言之，固定支架在发电效率、抗大风能力（迎风面积固定）等方面存在劣势，在稳定性、成本造价、线缆投入、运行维护（工作量小、板面清洗方便）等方面存在优势；

反之，跟踪支架在提升发电效率、便于融合双面组件等技术方面具有相对优势，同时也存在高成本投入及稳定性等问题。

（三）支架行业的特点

1、技术含量

光伏支架需要综合运用结构力学系统（静载荷、动载荷等流体力学）、机械驱动系统、电子控制系统等多学科专业知识进行综合设计，产品结构较为复杂，技术含量较高。平衡造价成本与发电量增益之间的关系，设计最优方案。

光伏支架产品主要用于安装、支撑、固定光伏组件，需要考虑地形地貌因素，根据平地、山地、丘陵、戈壁、农田、滩涂等复杂地形调整基础及支架设计；同时光伏支架需要具备较强的抗风、抗雪、抗震、抗腐蚀等性能，以此适应在风霜雨雪等各种自然环境下长期运行的需求；跟踪支架需要将支架系统、电控系统和驱动系统结合，通过计算最优的控制方案，提升电站发电效率，同时实现对光伏电站的远程控制，需要具备电站自动化、智能化的技术。

2、产品定制化要求较高

光伏支架属于非标准化产品，每个项目的产品都需要符合不同国家地区的技术标准、自然条件、配套光伏电站其他设备及客户的其他定制要求，为客户专门生产非标准化产品。定制化设计、生产要求企业具备较高的技术水平、丰富的项目经验、并通过相关资质认证，并符合各国的技术标准及规范。

3、光伏电站产业链一体化

一般而言，光伏支架是在其他光伏零部件确定之后再进行单独的设计、生产，因而需要考虑支架产品的设计是否与其他部件（不同数量、类型的光伏组件、逆变器、基桩等）适合匹配。

此外，从电站整体排布、安装角度考虑，关键技术连接点设计要简明化、模块化、集成化，使得施工工人能便捷、高效、准确安装，同时减低安装成本，这也对支架供应商的整体设计、制造水平提出了更高的要求。

（四）支架行业与上下游行业之间的关联性

光伏支架的上游主要是以钢材为代表的大宗金属材料加工、镀锌、机械及电子元器件行业；下游则主要面向光伏电站开发与建设企业。

1、与上游的关联性

光伏支架产品的上游主要是钢材等大宗金属材料加工企业。钢材等原材料供给充足，呈现完全竞争的市场格局，影响上游原材料价格的因素主要是大宗商品周期性因素。具体来说，在国际市场上钢材等大宗商品价格的周期性波动将会影响到光伏支架企业原材料成本；另一方面，由于国内市场对钢材的主要需求来自房地产市场，因此房地产行业周期性波动同样会影响到钢材价格，进而影响光伏支架企业的原材料成本。此外，镀锌、机械及电子元器件行业供应充分。

2、与下游的关联性

光伏支架下游为光伏电站的开发及建设，受光伏发电新增装机容量所驱动；光伏电站开发及建设业务受发电成本及政府支持政策及发电成本驱动。

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